第五章纳米结构材料.ppt

4 热压注（铸）成型方法 所谓热压注成型是在压力作用下把熔化的含蜡料浆（简称蜡浆）注满金属模具中，冷却后脱模得到素坯的一种湿法成型方法。 选用石蜡作粘结剂的理由：1 熔点低，成型可在70~80?C进行，容易操作；2 石蜡熔化后，粘度小，易填满模腔，有润滑性，不磨损模具，冷却后坯体有一定强度；3 石蜡冷却后有7-8%的收缩，容易脱模；4 一般不与粉料反应；5 来源丰富，价格低廉。 料浆配制时须添加适量的表面活性物质，如常用的油酸、硬脂酸、蜂蜡等，原因在于陶瓷粉体表面是极性的，石蜡是非极性的，熔化后的石蜡不易润湿粉体，从而容易发生沉淀，而加入的表面活性剂是双亲性物质，通过其桥梁作用则可使粉体与石蜡间接地吸附在一起。 热压注成型的特点：用该法生产的陶瓷制品尺寸精确，光洁度高，可制取各种异形件，对成型设备要求简单。 5 凝胶注模（浇注）成型方法 凝胶注模成型是通过将含有有机单体的粉体料浆注入模型，通过有机单体发生聚合反应形成凝胶，来实现料浆固化成型的一种湿法成型方法，其成型过程包括浆料制备、脱气、注模、凝胶化、脱模等。 评价浆料性能优劣的指标有：高固相含量（决定成型后素坯的密度）；良好的稳定性（决定成型后素坯密度的均匀程度；良好的流变性，粘度低，易于除气（既保证素坯密度高有能使缺陷减至最少） 对凝胶注模成型而言，有机单体的添加（凝胶化前起到分散剂的作用）可有效降低浆料的粘度，能显著改善高固相含量料浆的流变性。 对凝胶注模成型而言，在获得良好性能浆料的基础上，另外一个则是确定浆料合适的固化条件，为此在浆料中添加有机单体的同时还要添加引发剂（引发有机单体发生聚合反应的物质）和交联剂（影响素坯强度），因而需要对三者用量进行优化。 凝胶注模成型技术是美国橡树岭国家实验室在90年代初发明的一种新型陶瓷素坯成型方法，通过十多年的发展，显现良好的应用前景。同热压注成型方法相比，其优势： 1 热压注成型所用粘结剂量高达20%，凝胶注模成型仅为3~4%，后者具有更高的成型密度和强度(20-40MPa)； 2 热压注成型后粘结剂的脱烧时间有时长达一周，且不彻底，产生缺陷，而凝胶注模成型脱烧时间短，彻底，不易产生缺陷。 凝胶注模成型和干压成型后的素坯断口形貌比较 凝胶注模成型工艺存在问题: 1.坯体表面产生裂纹——原因：氧阻聚导致 2.成型的陶瓷坯体在干燥或排胶后出现裂纹——原因：坯体中单体聚合物网络形成的应力集中 3.坯体或烧结后陶瓷内部产生缺陷——原因：化学浓度梯度和温度梯度导致的非均匀固化 4.产品表面和内部可能存在气泡——原因：真空除气不够或注模过程排气不畅导致 裂纹与缺陷的消除方法 1.加入水溶性聚合物，可克服坯体表面产生裂纹（聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、聚丙烯酰胺(PMA) 等 2.加入缓释剂、增塑剂——调节高分子网络强度，缓解应力集中，消除裂纹 3.室温下进行凝胶反应浆料固化，避免温度梯度 5.2.2 纳米陶瓷的烧结 烧结是陶瓷坯体在一定温度、压力条件下进行致密化、晶界形成、晶粒长大的过程，是陶瓷制备过程中最重要的阶段。 特种陶瓷的烧结多以固相烧结为主，烧结过程一般划分为三个阶段： 烧结过程模式 普通陶瓷的烧结着重追求烧结体的致密程度，一般不必过分考虑晶粒的生长，而纳米陶瓷的烧结则在实现坯体致密化的同时，要严格控制晶粒的长大程度，因此纳米陶瓷的制备常需要对烧结制度精心设计或采用特殊的烧结技术。 第一阶段即烧结初期，表面扩散，颗粒粗化，表现为一次颗粒间一定程度晶界即颈的形成，烧结体有一定程度的致密化，但没有晶粒生长。 第二阶段即烧结中期，由于晶界扩散作用，颗粒间晶界广泛形成，相互连通的气孔大量消失，被晶界取代，坯体的致密化主要发生在这个阶段，晶粒长大不明显。 第三阶段即烧结后期，晶界开始形成连续网络，气孔孤立，排除困难，坯体致密化速率减慢，由于晶界迁移作用，晶粒长大迅速。 1. 两步烧结法制备纳米陶瓷 在控制晶粒生长的前提下实现坯体的致密化，是纳米陶瓷烧结过程中最需要解决的问题，但许多陶瓷的致密化过程和晶粒生长过程常常发生在同一温度区间而很难分开，特别在烧结后期，晶粒生长迅速，其结果往往是烧结体实现致密化后晶粒也长大了，得不到纳米陶瓷。 两步烧结法的目的就是要避开烧结后期的晶粒生长过程，其基本做法是：首先，将烧结温度升至一定高温，使坯体的相对密度达到70%左右；然后，将烧结温度降至较低温度下保温使烧结继续进行而实现完全的致密化，这一阶段晶粒没有明显生长。 单步等速烧结Y2O3陶瓷的晶粒大小与密度变化曲线 两步烧结法制取纳米Y2O3陶瓷的晶粒大小与密度变化曲线 从烧结理论上看，两步烧结法是通过巧妙地控制温度的变化，在抑制晶界迁移（导致晶粒长大）的同时，保持晶界扩散（排除气孔，使坯体致密化）处于活跃状态，来实现在晶粒不长大的前提下完成烧结目的